Привязанные двухслойные липидные мембраны для мониторинга теплопередачи между наночастицами золота и липидными мембранами
Summary
В этой работе описывается протокол для достижения динамического, неинвазивного мониторинга теплопередачи от облученных лазером наночастиц золота к tBLM. Система сочетает в себе импедансную спектроскопию для измерения изменений проводимости в реальном времени в tBLM с горизонтально сфокусированной лазерной лучом, которая управляет освещением наночастиц золота, для производства тепла.
Abstract
Здесь мы сообщаем о протоколе исследования теплопередачи между облученными наночастицами золота (GGNP) и двухслойными липидными мембранами с помощью электрохимии с использованием привязанных двухслойных липидных мембран (tBLM), собранных на золотых электродах. Облученные модифицированные ГПН, такие как стрептавидин-конъюгированные ГПН, встроены в tBLM, содержащие молекулы-мишени, такие как биотин. Используя этот подход, процессы теплопередачи между облученными ГНН и модельной двухслойной липидной мембраной с объектами, представляющими интерес, опосредованы горизонтально сфокусированным лазерным лучом. Тепловая прогностическая вычислительная модель используется для подтверждения электрохимически индуцированных изменений проводимости в tBLM. В определенных условиях обнаружения тепловых импульсов требовалось специфическое прикрепление наночастиц золота к поверхности мембраны, в то время как несвязанные наночастицы золота не смогли вызвать измеримый ответ. Этот метод служит мощным биосенсором обнаружения, который может быть непосредственно использован для проектирования и разработки стратегий тепловой терапии, которая позволяет оптимизировать параметры лазера, размер частиц, покрытия частиц и состав.
Introduction
Гипертермические характеристики облученных наноматериалов золота предлагают новый класс минимально инвазивного, селективного, целенаправленного лечения инфекций иопухолей1. Применение наночастиц, которые могут быть нагреты лазером, было использовано для избирательного уничтожения больных клеток, а также для обеспечения средства для селективной доставки лекарств2,3. Следствием явлений фототермолиза нагретых плазмонных наночастиц является повреждение клеточных мембран. Жидко-липидная двухслойная мембрана считается особенно уязвимым местом для клеток, проходящих такое лечение, поскольку денатурация внутренних мембранных белков, а также повреждение мембраны также могут привести к гибели клеток4,поскольку многие белки существуют для поддержания градиента ионного потенциала через клеточные мембраны. В то время как способность определять и контролировать теплопередачу на наноуровне представляет ключевой интерес для изучения и применения облученных ГПН1,5,6,7,оценки и понимания молекулярных взаимодействий между ГПН и биомембранами, а также прямых последствий лазерно-индуцированных явлений нагрева встроенных ГПН в биологических тканях, еще предстоит полностью прояснить8. Поэтому глубокое понимание процесса гипертермии облученных ГПН остается проблемой. Таким образом, разработка интерфейса наноматериал-электрод, который имитирует естественную среду клеток, может обеспечить средство для проведения углубленного исследования характеристик теплопередачи облученных наночастиц золота в биологических системах.
Сложность нативных клеточных мембран является одной из значительных проблем в понимании взаимодействий облученных ГПН в клетках. Были разработаны различные искусственные мембранные платформы для обеспечения близких простых биомиметических версий архитектуры и функциональности естественной липидной мембраны, включая, но не ограничиваясь ими, черные липидные мембраны9,поддерживаемые планарные бислойные мембраны10,гибридные двухслойные мембраны11,полимерные амортизированные липидные двухслойные мембраны12 и привязанные двухслойные липидные мембраны13. Каждая модель искусственной липидной мембраны имеет явные преимущества и ограничения в отношении имитации естественных липидных мембран14.
Это исследование описывает использование электродов с липидным мембранным покрытием в качестве датчика для оценки взаимодействия наночастиц золота и липидной мембраны с использованием модели tBLM. Схема обнаружения биосенсоров на основе tBLM обеспечивает присущую им стабильность ичувствительность 13, поскольку привязанные мембраны могут самовоспроизводиться, в отличие от других систем (таких как мембраны, образованные патч-зажимом или липосомами), в которых только небольшое количество повреждений мембран приводит к их коллапсу15,16,17,18. Кроме того, поскольку tBLM имеют размерымм 2, фоновое сопротивление на порядки ниже, чем методы записи патч-зажима, что позволяет регистрировать изменения в ионном потоке базальной мембраны из-за взаимодействий наночастиц. В результате этого настоящий протокол может противопоставлять изменения в проводимости мембраны связанными GNP, которые возбуждаются лазерами, мощность которых равна 135 нВт/мкм2.
Система, представленная здесь, обеспечивает чувствительный и воспроизводимый метод определения точных параметров лазера, размера частиц, покрытий частиц и состава, необходимых для проектирования и разработки тепловой терапии. Это имеет решающее значение для уточнения новых фототермических методов лечения, а также предлагает ценную информацию для подробных механизмов теплопередачи в биологических системах. Представленный протокол основан на ранее опубликованной работе19. Схема протокола выглядит следующим образом: первый раздел определяет формирование tBLM; во втором разделе описывается, как построить установку и выровнять источник лазера возбуждения; в заключительном разделе показано, как извлечь информацию из данных электроимпедантной спектроскопии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает использование модели tBLM с копланарной электродной подложкой в сочетании с установкой горизонтального лазерного выравнивания, которое позволяет регистрировать электрическое сопротивление в режиме реального времени в ответ на лазерное облуч…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Австралийского исследовательского совета (ARC) Discovery Program (DP150101065) и Исследовательским центром ARC для интегрированного устройства для анализа конечных пользователей на низких уровнях (IDEAL) (IH150100028).
Materials
| 30 nm diameter streptavidin-conjugated gold nanoparticles | Cytodiagnostics | AC-30-04-05 | This is a streptavidin-conjugated GNPs product ready for use |
| 30 nm diameter bare gold nanoparticles | Sigma-Aldrich | 753629 | This is a bare GNPs product ready for use |
| Cholesterol-PEG-Biotin (MW1000) | NANOCS | PG2-BNCS-10k | Dissolved in highly pure ethanol |
| C20 Diphytanyl-Glycero-Phosphatidylcholine lipids | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S1 | 1 ml glass vial containing 70% C16 diphytanyl phosphatidylcholine (DPEPC) and 30% C16 diphytanyl glycerol (GDPE) in 99.9% ethanol |
| Benzyl-disulfide-tetra-ethyleneglycol-OH | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Spacer molecules |
| Benzyl-disulfide (tetra-ethyleneglycol) n=2 C20-phytanyl | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Tethered molecules |
| 532 nm green laser continuous light | OBIS LS/OBIS CORE LS, China | ND-1000 | The power of this laser was ~135 mW |
| tethaPod EIS reader | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-R1 | A reader of conductance and capacitance on six channels simultaneously |
| tethaPlate cartridge assembly | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-BG | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Clamp and slide assembly jig | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-A1 | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Lipid coated coplanar gold electrodes | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-T10 | Coplanar gold electrodes are made from 25 mm x 75 mm x 1 mm polycarbonate base substrate with patterned gold arrays layout, then coated with benzyldisulphide, bis-tetraethylene glycol C16 phytanyl half membrane spanning tethers in a tether ratio of 10% |
| tethaQuick software | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-B1 | Software for use with tethaPod to process data and display conductance, impedance and capacitance measurements from the tethaPlate electrodes |
| 99.9% Pure ethanol | Sigma-Aldrich | 34963 | Absolute, 99.9% |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P4417 | pH 7 |
References
- Her, S., Jaffray, D. A., Allen, C. Gold nanoparticles for applications in cancer radiotherapy: Mechanisms and recent advancements. Advanced Drug Delivery Reviews. 109, 84-101 (2017).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. Journal of Nanoparticle Research. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Miller, C. M., Cortie, M. B. A golden bullet? Selective targeting of Toxoplasma gondii tachyzoites using antibody-functionalized gold nanorods. Nano Letters. 7 (12), 3808-3812 (2007).
- Zhang, H. -. G., Mehta, K., Cohen, P., Guha, C. Hyperthermia on immune regulation: a temperature’s story. Cancer Letters. 271 (2), 191-204 (2008).
- Gobin, A. M., et al. Near-infrared resonant nanoshells for combined optical imaging and photothermal cancer therapy. Nano Letters. 7 (7), 1929-1934 (2007).
- Jackson, J. B., Halas, N. J. Surface-enhanced Raman scattering on tunable plasmonic nanoparticle substrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (52), 17930-17935 (2004).
- Emelianov, S. Y., Li, P. -. C., O’Donnell, M. Photoacoustics for molecular imaging and therapy. Physics Today. 62 (8), 34 (2009).
- Dimitriou, N. M., et al. Gold nanoparticles, radiations and the immune system: Current insights into the physical mechanisms and the biological interactions of this new alliance towards cancer therapy. Pharmacology & Therapeutics. 178, 1-17 (2017).
- Mueller, P., Rudin, D. O., Tien, H. T., Wescott, W. C. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature. 194 (4832), 979 (1962).
- Tamm, L. K., McConnell, H. M. Supported phospholipid bilayers. Biophysical Journal. 47 (1), 105-113 (1985).
- Plant, A. L. Supported hybrid bilayer membranes as rugged cell membrane mimics. Langmuir. 15 (15), 5128-5135 (1999).
- Sackmann, E. Supported membranes: scientific and practical applications. Science. 271 (5245), 43-48 (1996).
- Alghalayini, A., Garcia, A., Berry, T., Cranfield, C. G. The Use of Tethered Bilayer Lipid Membranes to Identify the Mechanisms of Antimicrobial Peptide Interactions with Lipid Bilayers. Antibiotics. 8 (1), 12 (2019).
- Khan, M. S., Dosoky, N. S., Williams, J. D. Engineering lipid bilayer membranes for protein studies. International Journal of Molecular Sciences. 14 (11), 21561-21597 (2013).
- Urban, P., Kirchner, S. R., Mühlbauer, C., Lohmüller, T., Feldmann, J. Reversible control of current across lipid membranes by local heating. Scientific Reports. 6, 22686 (2016).
- Palankar, R., et al. Nanoplasmonically-induced defects in lipid membrane monitored by ion current: transient nanopores versus membrane rupture. Nano Letters. 14 (8), 4273-4279 (2014).
- Bendix, P. M., Reihani, S. N. S., Oddershede, L. B. Direct measurements of heating by electromagnetically trapped gold nanoparticles on supported lipid bilayers. ACS Nano. 4 (4), 2256-2262 (2010).
- Plaksin, M., Shapira, E., Kimmel, E., Shoham, S. Thermal transients excite neurons through universal intramembrane mechanoelectrical effects. Physical Review X. 8 (1), 011043 (2018).
- Alghalayini, A., et al. Real-time monitoring of heat transfer between gold nanoparticles and tethered bilayer lipid membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. , 183334 (2020).
- Moradi-Monfared, S., Krishnamurthy, V., Cornell, B. A molecular machine biosensor: construction, predictive models and experimental studies. Biosensors and Bioelectronics. 34 (1), 261-266 (2012).
- Hoiles, W., Gupta, R., Cornell, B., Cranfield, C., Krishnamurthy, V. The effect of tethers on artificial cell membranes: A coarse-grained molecular dynamics study. PloS One. 11 (10), 0162790 (2016).
- Cranfield, C. G., et al. Transient potential gradients and impedance measures of tethered bilayer lipid membranes: pore-forming peptide insertion and the effect of electroporation. Biophysical Journal. 106 (1), 182-189 (2014).
- Dombrovsky, L. A. . Radiation heat transfer in disperse systems. , (1996).
- Cornell, B. A., Braach-Maksvytis, V., King, L., Osman, P. A biosensor that uses ion-channel switches. Nature. 387 (6633), 580 (1997).
- Maccarini, M., et al. Nanostructural determination of a lipid bilayer tethered to a gold substrate. The European Physical Journal E. 39 (12), 123 (2016).
- Beugin-Deroo, S., Ollivon, M., Lesieur, S. Bilayer stability and impermeability of nonionic surfactant vesicles sterically stabilized by PEG-cholesterol conjugates. Journal of Colloid and Interface Science. 202 (2), 324-333 (1998).
- Kendall, J. K., et al. Effect of the Structure of Cholesterol-Based Tethered Bilayer Lipid Membranes on Ionophore Activity. ChemPhysChem. 11 (10), 2191-2198 (2010).
- Jiang, W., Kim, B. Y., Rutka, J. T., Chan, W. C. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature Nanotechnology. 3 (3), 145 (2008).
- He, C., Hu, Y., Yin, L., Tang, C., Yin, C. Effects of particle size and surface charge on cellular uptake and biodistribution of polymeric nanoparticles. Biomaterials. 31 (13), 3657-3666 (2010).
- Wang, F. X., et al. Surface and bulk contributions to the second-order nonlinear optical response of a gold film. Physical Review B. 80 (23), 233402 (2009).
